含水合物沉积物旁压特性室内模拟装置及方法和应用与流程

本发明涉及天然气水合物原位工程力学性质测试技术领域，具体涉及含水合物沉积物旁压特性室内模拟装置及方法和应用。

背景技术：

海洋天然气水合物开采过程中储层的力学响应是准确评价和预测工程地质风险演化规律并实现有效调控的前提。海底含水合物储层的原位力学测试因海底条件复杂、测试装置技术要求高、成本高、实施困难而难以实施。目前，主要依托于室内实验装置开展相关的测试工作，且主要集中在常规的三轴力学测试方面，对储层的侧向力学行为的表征较为缺乏，不利于全面评价储层的力学性能。利用旁压测试技术对地层的侧向力学性能进行测试是一种极具潜力的工程力学参数评价方法，但目前其在水合物储层测试方面的应用鲜见报道。

旁压测试技术在常规岩土体侧向力学行为测试领域的应用目前已经比较广泛，专利公开号cn110749504a、cn210768587u、cn108952694a、cn109799144a均公开了不同类型的、能够适用于现场原位监测的旁压测试装置及方法。但实际野外海洋天然气水合物实际储层旁压测试施工难度大、成本高，在室内研发小型试验设备开展模型试验，获取含水合物沉积物的侧向变形特征迫在眉睫。

目前，旁压测试技术应用在天然气水合物沉积物室内实验模拟中存在的主要挑战为：(1)水合物合成需达15mpa的釜内孔隙压力，而常规旁压仪需要在沉积物内部预设钻孔后下放测量，常规下方操作模式难以实现。(2)为避免水合物沉积物样品温度导致造成的水合物分解，无法采用先钻孔再下入旁压仪的常规操作模式开展旁压测试。(3)旁压测试要避免沉积物纵向伸缩的影响，常规测试一般要求旁压仪下放到一定地层深度，室内实验受样品尺寸限制难以满足。(4)旁压测试必须保证钻孔垂直，室内反应釜本体模拟条件下的防斜难度大。

考虑上述难题并结合天然气水合物室内模拟的基本特点，现在亟需研发一种含水合物沉积物旁压特性室内模拟装置及方法和应用。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的不足，本发明提供了含水合物沉积物旁压特性室内模拟装置及方法和应用，上述装置和方法能够直接用于预测海底水合物储层在开采过程中的潜在破坏的发生和发展特征，同时获取的基本参数可为大尺度的数值模拟提供数据支撑。

本发明的技术方案为：

含水合物沉积物旁压特性室内模拟装置，包括反应釜本体、下端盖、分流板、旁压仪、旁压仪对中固定机构、固结t型板、上端盖和加载端盖。所述反应釜本体的外壁上设置有制冷保温层。所述下端盖固定在反应釜本体的底部，所述分流板设置在下端盖的上部且与下端盖之间设置有第一加载空腔。所述旁压仪通过旁压仪对中固定机构竖直固定在反应釜本体的内腔。所述上端盖固定在反应釜本体的顶部，所述加载端盖固定在上端盖的上端。所述固结t型板包括底板和与底板垂直固定连接的竖板，所述底板下部与反应釜本体内部的沉积物接触，所述竖板穿过上端盖且与加载端盖之间设置第二加载空腔。

进一步的，所述竖板的底部中心位置设置有上对中杆穿孔，所述上对中杆穿孔穿过底板，所述上对中杆穿孔的孔径大于所述上对中杆的直径。

进一步的，所述下端盖上设置与第一加载空腔连通的第一进口。

进一步的，所述分流板设置为多孔分流板包括多孔网板和固定在多孔网板上的透气不透水半透膜。

进一步的，所述旁压仪对中固定机构包括上对中杆和下对中杆，所述下对中杆的一端固定在旁压仪的底部，所述下对中杆的另一端穿过分流板固定在下端盖中心的凹槽上，所述下对中杆穿过多孔分流板并与多孔分流板之间密封。所述上对中杆的一端固定在旁压仪的顶部，所述上对中杆的另一端与设置在固结t型板上的上对中杆穿孔配合，并可在上对中杆穿孔内上下移动。

进一步的，所述底板上设置有间隔距离设置的若干个通孔。

进一步的，所述加载端盖的截面设置为“几”字形结构，所述加载端盖上设置有与第二加载空腔连通的第二进口。

进一步的，还包括加压系统、旁压仪控制器、数据采集处理系统、回压系统、固结应力加载系统和制冷水浴系统。

所述加压系统与第一加载空腔连通，用于向第一加载空腔内通入加载气体，包括高压气瓶和通过气体管路与高压气瓶连接的气体流量控制器。

所述旁压仪控制器与旁压仪连接，用于控制旁压仪的开关。

所述数据采集处理系统包括数据采集仪、数据采集电脑和输送泵中控，所述数据采集仪设置于反应釜本体上且与旁压仪连接的航空插头以及设置于下端盖外侧的第一压力传感器、设置于上端盖外侧的第二压力传感器和设置于加载端盖外侧的第三压力传感器连接，将采集的信息传输到数据采集电脑并控制输送泵中控，所述输送泵中控与旁压控制器、固结应力加载系统和制冷水浴连接，用于控制旁压控制器、固结应力加载系统和制冷水浴。

所述回压系统与数据采集仪连接且和上端盖连接，所述回压系统设置为背压阀，用于控制反应釜本体内部空腔的压力。

所述固结应力加载系统与第二加载空腔连通，用于向第二加载空腔内灌入加载液体，包括液体箱和固结应力跟踪泵，所述固结应力跟踪泵通过供液管路与液体箱连接。

所述制冷水浴系统与制冷保温层连接，用于控制制冷保温层的温度。

含水合物沉积物旁压特性室内模拟方法，利用上述的装置，包括如下步骤：

(1)在反应釜本体内填装沉积物：

所述的沉积物为后续合成水合物样品的基本赋存介质，为了保证后续水合物合成过程顺利开展，在沉积物填装之前需提前测量沉积物的孔隙度，并根据预设的水合物饱和度将干沉积物与蒸馏水混合均匀，然后分层压实安装到反应釜本体(7)内部空腔中。

(2)气体冲注：

向反应釜本体中通入合成水合物所需的高压气体，所述高压气体的压强为15mpa。用高压气体气洗反应釜本体内部，设置回压阀压力为0，从回压阀出口处排空以达到排出反应釜本体内部空气的目的。然后关闭反应釜本体出口，通过气体流量控制器注入合成水合物所需的高压气体，使沉积物孔隙压力达到设定的水合物生成压力值。与此同时，必须同步向旁压仪中注入液压油/水，保证高压气体注入过程中旁压仪内外压力始终相等，从而防止旁压仪气囊的损坏。

(3)应力加载：

通过固结应力跟踪泵向第二加载空腔中注入液压油/水，推动固结t型板向下运动，给沉积物施加应力；固结应力的大小根据实际模拟的水合物地层深度而定。

(4)含水合物沉积物样品制备：

当气体压力、有效应力条件满足模拟的实际地层条件后，启动制冷水浴系统给反应釜本体降温合成水合物。当反应釜本体内的温度压力维持长时间恒定，认为水合物合成完毕。

(5)旁压测试：

样品合成后，不扰动沉积物内部温度、压力条件下，通过设定旁压仪控制注入速率，向旁压仪中注入液压油/水，推动旁压仪内部囊体侧向膨胀，实时监测注液量、触探片位移、注液压力，绘制其随时间的变化曲线，完成旁压测试。

上述的含水合物沉积物旁压特性室内模拟装置，可应用于获取水合物开采过程中的侧向变形，包括如下步骤：

(1)在反应釜本体内填装沉积物：

所述的沉积物为后续合成水合物样品的基本赋存介质，为了保证后续水合物合成过程顺利开展，在沉积物填装之前需提前测量沉积物的孔隙度，并根据预设的水合物饱和度将干沉积物与蒸馏水混合均匀，然后分层压实安装到反应釜本体(7)内部空腔中。

(2)气体冲注：

向反应釜本体中通入合成水合物所需的高压气体，所述高压气体的压强为15mpa。用高压气体气洗反应釜本体内部，设置回压阀压力为0，从回压阀出口处排空以达到排出反应釜本体内部空气的目的。然后关闭反应釜本体出口，通过气体流量控制器注入合成水合物所需的高压气体，使沉积物孔隙压力达到设定的水合物生成压力值。与此同时，必须同步向旁压仪中注入液压油/水，保证高压气体注入过程中旁压仪内外压力始终相等，从而防止旁压仪气囊的损坏。

(3)应力加载：

通过固结应力跟踪泵向第二加载空腔中注入液压油/水，推动固结t型板向下运动，给沉积物施加应力；固结应力的大小根据实际模拟的水合物地层深度而定。

(4)含水合物沉积物样品制备：

当气体压力、有效应力条件满足模拟的实际地层条件后，启动制冷水浴系统给反应釜本体降温合成水合物。当反应釜本体内的温度压力维持长时间恒定，认为水合物合成完毕。

(5)获取水合物开采过程中的侧向变形

在完成上述步骤(1)～(4)以后，调节背压阀，使反应釜本体内部气体压力逐渐降低，然后维持旁压仪中的液压压力不变，监测降压产气过程中沉积物的侧向变形，以此来获取水合物开采过程中的侧向变形行为。

本发明所达到的有益效果为：

(1)本发明含水合物沉积物旁压特性室内模拟装置中旁压仪采用预埋设的方式，能有效避免由于钻孔过程导致的含水合物沉积物试样扰动。

(2)本发明含水合物沉积物旁压特性室内模拟装置中通过旁压仪对中固定机构的设计，有效保证旁压仪在试样安装和测试过程中始终处于竖直状态，提高测试数据的精确程度。

(3)本发明含水合物沉积物旁压特性室内模拟装置中通过固结t型板轴向加载，能够模拟海底一定深度的地层有效应力条件，保证水合物生长环境与海底真实情况一致，有效避免了目前常规室内模拟水合物制样过程仅考虑孔隙压力的弊端。

(4)本发明含水合物沉积物旁压特性室内模拟装置中上对中杆与固结t型板的有效配合，达到了保证旁压仪居中，有防止轴向应力加载过程中对旁压仪的影响。

(5)本发明含水合物沉积物旁压特性室内模拟方法，不仅可以实现静态(水合物不分解)条件下的旁压测试，又可以模拟动态(水合物开采产出)条件下的旁压测试，达到对含水合物储层“原位”侧向力学性能测试的目的。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明中固结t型板的俯视图。

图3是本发明中固结t型板的仰视图。

图中，1、高压气瓶；2、气体流量控制器；3、旁压仪；4、下对中杆；5、下端盖；6、含水合物沉积物；7、反应釜本体；8、制冷保温层；9、固结t型板；10、上对中杆；11、上端盖；12、加载端盖12；13、航空插头；14、温度探头；15、多孔分流板；16、制冷水浴系统；17、背压阀；18、数据采集仪；19、输送泵中控；20、数据采集电脑；21、旁压控制器；22、油箱/水箱；23、固结应力跟踪泵；24、柱状膨胀囊体；25、应力触探片；26、第一加载空腔；27、第二加载空腔；28、底板；29、竖板；30、通孔；31、上对中杆穿孔。

具体实施方式

为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1～3所示，一种含水合物沉积物旁压特性室内模拟装置，主要包括专用反应釜本体及其附件。

其中专用反应釜本体包括反应釜本体7、安装在反应釜本体7底端的下端盖5，安装在反应釜本体7上端的上端盖11、安装在上端盖11上的加载端盖12。安装在反应釜本体7外围的制冷保温层8，安装在反应釜本体7内部的固结t型板9、旁压仪3、上对中杆10、下对中杆4、多孔分流板15、测温探头。用于制备含水合物沉积物6样品的沉积物安装在反应釜本体7内部多孔分流板15上方、固结t型板9下方、旁压仪3外围的空间中。

附件主要包括制高压气瓶1、气体流量控制器2、制冷水浴系统16、旁压控制器21、回压控制器、数据采集仪18、输送泵中控19、数据采集电脑20、固结应力跟踪泵23以及油箱/水箱22。

所述的固结t型板9其主要作用是：(1)给沉积物整体施加轴向有效应力，使其固结。(2)旁压测试过程中施加纵向应力，防止沉积物的纵向变形。(3)防止上对中杆10横向运动，保证旁压仪3居中。

为满足上述目的，所述的固结t型板9具有如下特征：(1)固结t型板9整体外围为倒“t”型结构，包括底板28和与底板28垂直固定连接的竖板29。所述底板28上设置有间隔距离设置的若干个通孔30，保证沉积物孔隙与固结t型板9上部空间联通。(2)所述竖板29的底部中心位置设置有上对中杆穿孔31，所述上对中杆穿孔31穿过底板28，所述上对中杆穿孔31的孔径大于所述上对中杆10的宽，保证固结t型板9纵向运动过程中不会干涉上对中杆10，又能防止上对中杆10径向运动。(3)竖板29外壁与上端盖11之间采用滑动密封并穿过上端盖11，同时与加载端盖12采用滑动密封，固结t型板9竖板29上端面与加载端盖12内腔形成的空间设置为第二加载空腔27，所述第二加载空腔27用于注入轴向加载流体，推动固结t型板9给沉积物施加固结应力。

上对中杆10和下对中杆4分别位于竖向安装的旁压仪3两侧，上对中杆10与其上部的固结t型板9内腔配合，下对中杆4穿透多孔分流板15并直接固定在下端盖5中央，防止旁压仪3倾斜。

旁压仪3位于反应釜本体7中心处，由位于中间的柱状膨胀囊体24和应力触探片25组成，其中柱状膨胀囊体24与应力触探片25通过顶杆进行连接，外接的旁压控制器21用于对柱状膨胀囊体24的加压。

多孔分流板15由多孔网板和半透膜压制而成，具有透气不透水的功能，多孔分流板15与下端盖5之间的空腔设置为第一加载空腔26，所述第一加载空腔26用于储存高压甲烷气体，并实现下部气体均匀向上渗透，促进水合物在沉积物中均匀生成。

旁压仪3的位移和压力数据、温度传感器数据通过位于反应釜本体7壁面的航空插头13传输到位于反应釜本体7外部的数据采集仪18，同时位于下端盖5外侧、上端盖11外侧、加载端盖12外侧的第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器的数据也传输值数据采集仪18，经数据采集仪18处理后的数据汇总到数据采集电脑20。

反应釜本体7与下端盖5、反应釜本体7与上端盖11、上端盖11与加载端盖12之间均采用侧面密封。制冷保温层8设置为制冷水浴保温层，制冷保温层8与外界的制冷水浴系统16配合，给反应釜本体7内部降温，用于合成水合物。外接高压气瓶1与气体流量控制器2用于通过下端盖5将反应釜本体7内部注入甲烷气体，营造生成水合物的气源和高压环境。

固结应力跟踪泵23用于向第二加载空腔27注入/抽取轴向加载流体，从而控制固结t型板9施加到内部沉积物上的应力。

回压控制器的主要作用是控制反应釜本体7内部压力，使反应釜本体7内部的水合物实现有序分解，从而达到测试水合物分解产出过程中储层侧向力学性能的目的。本实施例中所述回压控制器设置为背压阀17。

旁压控制器21是控制旁压本体开合的关键，通过旁压控制器21的进退控制位于反应釜本体7内部的旁压仪3的开合，实现对含水合物沉积物6侧向力学性能的测量。

利用含水合物沉积物6旁压特性室内模拟装置的含水合物沉积物6旁压特性室内模拟装置方法，包括以下步骤：

(1)仪器安装：以此在反应釜本体7内部安装下对中杆4、多孔分流板15、旁压仪3、沉积物、上对中杆10、固结t型板9、上端盖11和加载端盖12。其中，所述的沉积物为后续合成水合物样品的基本赋存介质，为了保证后续合成过程中，本步骤需提前测量沉积物的孔隙度，并根据预设的水合物饱和度将干沉积物与蒸馏水混合均匀，然后分层压实安装到反应釜本体7内部。

(2)气体冲注：向反应釜本体7中通入甲烷，用甲烷气洗反应釜本体7内部，从上部排空以达到排出反应釜本体7内部空气的目的。而后关闭反应釜本体7出口，通过气体流量控制器2注入甲烷气，使沉积物孔隙压力达到设定的水合物生成压力值。与此同时，必须同步向旁压仪3中注入液压油/水，保证甲烷注入过程中旁压仪3内外压力始终相等，从而防止旁压仪3的柱状膨胀囊体24的损坏。

(3)有效应力加载：通过固结应力跟踪泵23向跟踪应力腔体中注入液压油/水，推动固结t型板9向下运动，给沉积物施加一定的应力。固结应力的大小根据实际模拟的水合物地层深度而定。

(4)含水合物沉积物6样品制备：当气体压力、有效应力条件满足模拟的实际地层条件后，启动冷却水浴系统给反应釜本体7降温合成水合物。特别地，由于合成水合物过程中沉积物孔隙压力(即旁压仪3外围压力)持续降低，因此样品合成过程中，要求反应釜本体7上下压力检测数据必须实时反馈给旁压控制器21，旁压控制器21根据沉积物孔隙压力实时调整旁压仪3中的进液和退液，保证样品合成过程中沉积物孔隙压力和旁压仪3内部压力一致。这样做的主要目的是：①防止旁压仪3的柱状膨胀囊体24损坏。②防止水合物合成过程中由于柱状膨胀囊体24膨胀导致沉积物原有结构的破坏。在样品制备过程中如果需要进一步补气，则需同步调整旁压仪3进液。

(5)旁压测试：样品合成后，不扰动沉积物内部温度、压力条件下，通过设定旁压仪3控制注入速率，向旁压仪3中注入液压油/水，推动旁压仪3的柱状膨胀囊体24侧向膨胀，实时监测注液量、触探片位移、注液压力，绘制其随时间的变化曲线，完成旁压测试。

特别地，在完成上述步骤(1)～(4)以后，调节背压阀(17)，使反应釜本体7内本体部气体压力逐渐降低，然后维持旁压仪3中的液压压力不变，监测降压产气过程中沉积物的侧向变形，以此来获取水合物开采过程中的侧向变形行为。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。